Membrane-based enthalpy exchangers

Koester, Sebastian; Favre, Eric; Wessling, Matthias

doi:HT019382021

Membrane-based enthalpy exchangers = Membranbasierte Enthalpietauscher

Koester, Sebastian

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian Markus Koester

ImpressumAachen : Shaker 2017

Umfang1 Online-Ressource (viii, 101 Seiten)

ISBN978-3-8440-5229-9

ReiheBerichte aus der Verfahrenstechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Favre, Eric (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-03998
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/688743/files/688743.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/688743/files/688743.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
membrane (frei) ; heat transfer (frei) ; mass transfer (frei) ; water vapor (frei) ; enthalpy exchanger (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Komfort in Gebäuden ist eng verknüpft mit der Luftqualität des Innenraums. Nur unter Einhaltung definierter Luftwechselraten ist eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff gewährleistet. Aus energetischer Sicht bietet dieser Lüftungsvorgang großes Optimierungspotential. Während bei Fensterlüftung die Energie der Abluft verloren geht, besteht in geregelten Wohnraumlüftungsanlagen die Möglichkeit zur Energierückgewinnung. Hierbei werden Ab- und Zuluft miteinander in Kontakt gebracht, ohne die beiden Luftströme zu vermischen. Im Fall von Wärmetauschern wird dieser Kontakt über eine Metall- oder Kunststoffplatine herbeigeführt. Ersetzt man die Platinen durch Membranen, ist zusätzlich ein Austausch von Feuchte möglich. Solche Systeme bezeichnet man als membranbasierte Enthalpietauscher. Während das Verhalten von Wärmetauschern durch die spezifische Oberfläche und die Fluiddynamik entlang der Tauscherplatinen dominiert wird, hängt die Effizienz der Enthalpietauscher zusätzlich von den Membran- und Prozessparameter ab. Das Ziel dieser Arbeit besteht nunmehr in der Identifizierung limitierender Transportwiderstände und der Erschließung von Lösungsansätzen um diese zu überwinden. Zu diesem Zweck wird zunächst der Einfluss der Wasserdampfaktivität auf das Übertragungsverhalten von Polymermembranen untersucht. In Reinstoffexperimenten wird gezeigt, dass die Wasserdampfaktivität der Feed- und Permeatseite gleichermaßen das Verhalten der selektiven Schicht beeinflussen. Im Anschluss werden leistungsmindernde Effekte von Strömungsgrenzschichten und Supportstrukturen mit Hilfe von Mischgasexperimenten evaluiert. Während der Einfluss des Membransupports vom verwendeten Material abhängt, führt die Strömungsgrenzschicht materialunspezifisch zu einer Reduzierung des Übertragungsverhaltens. Diesem Effekt wird mit Hilfe sogenannter Membranspacer entgegengewirkt. Der Nutzen solcher Materialien wird anhand erster Prototypentests verdeutlicht. Eine modelltechnische Beschreibung des Wärme- und Stofftransportes verschafft zudem Einblick in das bestehende Optimierungspotential. Hierbei werden sowohl Membran- als auch Grenzschichtwiderstände betrachtet. Abschließend wird die Wirtschaftlichkeit eines Spacereinsatzes in einer Fallstudie untersucht. Auf Basis experimenteller Daten wird gezeigt, dass das Einsparpotential von zahlreichen Faktoren wie den Außenluftbedingungen, der Befeuchtungstechnologie und der Entwicklung des Energiepreises abhängt. Wenngleich die Evaluierung membranbasierter Enthalpietauscher im Fokus der Untersuchungen steht, lassen sich Erkenntnisse und experimentelle Vorgehensweisen auch auf andere Prozesse übertragen. Aktivitätsabhängige Permeabilitäteten sind für technische Be- und Entfeuchtungsprozesse ebenso wichtig wie für die Entwicklung hochwertiger Funktionskleidung. Erkenntnisse und experimentelle Vorgehensweisen zur Untersuchung der Grenzschichtwiderstände könnten (bei fortschreitender Materialoptimierung) zudem in anderen Gaspermeationsverfahren an Bedeutung gewinnen.

The comfort within residential buildings is often related to indoor climate conditions. However, sufficient air quality can only be guaranteed if ventilation rates exceed minimum standards. In most cases this is realized by window ventilation, a process accompanied by a tremendous loss of energy. Applying modern building ventilation systems instead, is a promising approach to reduce losses and enhance sustainability. The reason is that building ventilation systems make use of energy recovery devices. In air-to-air heat exchangers, discharged and fresh air get in contact via impermeable exchanger plates. Here, energy recovery is limited to sensible heat. Substituting the exchanger plates with water vapor permeable membranes makes the device also capable of recovering latent heat (in terms of water vapor). Such devices are called membrane-based enthalpy exchangers. Efficiency is typically a function of fluid dynamics, material properties and process parameters. The scope of this thesis is to describe the governing parameters, identify transport limitations and point out potential solutions to successfully tackle such limitations. First, the influence of vapor activity on membrane permeance was evaluated for different materials. Single-gas measurements proved that permeance is a strong function of both feed and permeate activity. Depending on the polymer of the selective layer, a change in activity either enhanced or reduced membrane permeance. In complementary mixed-gas measurements the overall transport resistance (including boundary layer and membrane support) was deconvoluted in detail. While the impact of the support changed with the membrane sample, the boundary layer had a similar effect regardless of the material. Performance loss due to the stagnant boundary layers was successfully minimized by application of so-called membrane spacers. Finally, a commercial software (Aspen Custom Modeler®) was used to model the heat and mass transfer in membrane-based enthalpy exchangers. By means of model predictions it was possible to identify the economic limits of material optimization. An optimization beyond this limit will only make sense if the impact of the stagnant layer is reduced simultaneously. A case study revealed that the actual saving potential of membrane spacers depends on multiple parameters like outer climate conditions, energy prices and the humidification technology of the corresponding building ventilation system. Even though the focus of the study is on membrane-based enthalpy exchangers, results and experimental approaches can be useful for many other applications like technical (de)hydration processes and the optimization of functional clothing. In addition upcoming material developments might boost the impact of boundary layers in gas permeation processes not related to water vapor. If so, the findings of this thesis will help to identify and overcome transport limitations of these applications, too.

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